Transcriptional and Epigenetic Regulation of Human CD4+ T Helper Lineage Specification

Activated T helper (Th) cells have ability to differentiate into functionally distinct Th1, Th2 and Th17 subsets through a series of overlapping networks that include signaling and transcriptional control and the epigenetic mechanisms to direct immune responses. However, inappropriate execution in the differentiation process and abnormal function of these Th cells can lead to the development of several immune mediated diseases. Therefore, the thesis aimed at identifying genes and gene regulatory mechanisms responsible for Th17 differentiation and to study epigenetic changes associated with early stage of Th1/Th2 cell differentiation. Genome wide transcriptional profiling during early stages of human Th17 cell differentiation demonstrated differential regulation of several novel and currently known genes associated with Th17 differentiation. Selected candidate genes were further validated at protein level and their specificity for Th17 as compared to other T helper subsets was analyzed. Moreover, combination of RNA interference-mediated downregulation of gene expression, genome-wide transcriptome profiling and chromatin immunoprecipitation followed by massive parallel sequencing (ChIP-seq), combined with computational data integration lead to the identification of direct and indirect target genes of STAT3, which is a pivotal upstream transcription factor for Th17 cell polarization. Results indicated that STAT3 directly regulates the expression of several genes that are known to play a role in activation, differentiation, proliferation, and survival of Th17 cells. These results provide a basis for constructing a network regulating gene expression during early human Th17 differentiation. Th1 and Th2 lineage specific enhancers were identified from genome-wide maps of histone modifications generated from the cells differentiating towards Th1 and Th2 lineages at 72h. Further analysis of lineage-specific enhancers revealed known and novel transcription factors that potentially control lineage-specific gene expression. Finally, we found an overlap of a subset of enhancers with SNPs associated with autoimmune diseases through GWASs suggesting a potential role for enhancer elements in the disease development. In conclusion, the results obtained have extended our knowledge of Th differentiation and provided new mechanistic insights into dysregulation of Th cell differentiation in human immune mediated diseases.

Induction of apoptosis in cancer cells by tumor necrosis factor and butyrolactone, an inhibitor of cyclin-dependent kinases

Induction of apoptosis by tumor necrosis factor (TNF) is modulated by changes in the expression and activity of several cell cycle regulatory proteins. We examined the effects of TNF (1-100 ng/ml) and butyrolactone I (100 µM), a specific inhibitor of cyclin-dependent kinases (CDK) with high selectivity for CDK-1 and CDK-2, on three different cancer cell lines: WEHI, L929 and HeLa S3. Both compounds blocked cell growth, but only TNF induced the common events of apoptosis, i.e., chromatin condensation and ladder pattern of DNA fragmentation in these cell lines. The TNF-induced apoptosis events were increased in the presence of butyrolactone. In vitro phosphorylation assays for exogenous histone H1 and endogenous retinoblastoma protein (pRb) in the total cell lysates showed that treatment with both TNF and butyrolactone inhibited the histone H1 kinase (WEHI, L929 and HeLa) and pRb kinase (WEHI) activities of CDKs, as compared with the controls. The role of proteases in the TNF and butyrolactone-induced apoptosis was evaluated by comparing the number and expression of polypeptides in the cell lysates by gel electrophoresis. TNF and butyrolactone treatment caused the disappearance of several cellular protein bands in the region between 40-200 kDa, and the 110- 90- and 50-kDa proteins were identified as the major substrates, whose degradation was remarkably increased by the treatments. Interestingly, the loss of several cellular protein bands was associated with the marked accumulation of two proteins apparently of 60 and 70 kDa, which may be cleavage products of one or more proteins. These findings link the decrease of cyclin-dependent kinase activities to the increase of protease activities within the growth arrest and apoptosis pathways induced by TNF.

Retinol-induced changes in the phosphorylation levels of histones and high mobility group proteins from Sertoli cells

Chromatin proteins play a role in the organization and functions of DNA. Covalent modifications of nuclear proteins modulate their interactions with DNA sequences and are probably one of the multiple factors involved in the process of switch on/off transcriptionally active regions of DNA. Histones and high mobility group proteins (HMG) are subject to many covalent modifications that may modulate their capacity to bind to DNA. We investigated the changes induced in the phosphorylation pattern of cultured Wistar rat Sertoli cell histones and high mobility group protein subfamilies exposed to 7 µM retinol for up to 48 h. In each experiment, 6 h before the end of the retinol treatment each culture flask received 370 KBq/ml [32P]-phosphate. The histone and HMGs were isolated as previously described [Moreira et al. Medical Science Research (1994) 22: 783-784]. The total protein obtained by either method was quantified and electrophoresed as described by Spiker [Analytical Biochemistry (1980) 108: 263-265]. The gels were stained with Coomassie brilliant blue R-250 and the stained bands were cut and dissolved in 0.5 ml 30% H2O2 at 60oC for 12 h. The vials were chilled and 5.0 ml scintillation liquid was added. The radioactivity in each vial was determined with a liquid scintillation counter. Retinol treatment significantly changed the pattern of each subfamily of histone and high mobility group proteins.

Further biochemical characterization of Mycobacterium leprae laminin-binding proteins

It has been demonstrated that the alpha2 chain of laminin-2 present on the surface of Schwann cells is involved in the process of attachment of Mycobacterium leprae to these cells. Searching for M. leprae laminin-binding molecules, in a previous study we isolated and characterized the cationic proteins histone-like protein (Hlp) and ribosomal proteins S4 and S5 as potential adhesins involved in M. leprae-Schwann cell interaction. Hlp was shown to bind alpha2-laminins and to greatly enhance the attachment of mycobacteria to ST88-14 Schwann cells. In the present study, we investigated the laminin-binding capacity of the ribosomal proteins S4 and S5. The genes coding for these proteins were PCR amplified and their recombinant products were shown to bind alpha2-laminins in overlay assays. However, when tested in ELISA-based assays and in adhesion assays with ST88-14 cells, in contrast to Hlp, S4 and S5 failed to bind laminin and act as adhesins. The laminin-binding property and adhesin capacity of two basic host-derived proteins were also tested, and only histones, but not cytochrome c, were able to increase bacterial attachment to ST88-14 cells. Our data suggest that the alanine/lysine-rich sequences shared by Hlp and eukaryotic H1 histones might be involved in the binding of these cationic proteins to laminin.

The epigenetic modifiers 5-aza-2'-deoxycytidine and trichostatin A influence adipocyte differentiation in human mesenchymal stem cells

Epigenetic mechanisms such as DNA methylation and histone modification are important in stem cell differentiation. Methylation is principally associated with transcriptional repression, and histone acetylation is correlated with an active chromatin state. We determined the effects of these epigenetic mechanisms on adipocyte differentiation in mesenchymal stem cells (MSCs) derived from bone marrow (BM-MSCs) and adipose tissue (ADSCs) using the chromatin-modifying agents trichostatin A (TSA), a histone deacetylase inhibitor, and 5-aza-2′-deoxycytidine (5azadC), a demethylating agent. Subconfluent MSC cultures were treated with 5, 50, or 500 nM TSA or with 1, 10, or 100 µM 5azadC for 2 days before the initiation of adipogenesis. The differentiation was quantified and expression of the adipocyte genes PPARG and FABP4 and of the anti-adipocyte gene GATA2 was evaluated. TSA decreased adipogenesis, except in BM-MSCs treated with 5 nM TSA. Only treatment with 500 nM TSA decreased cell proliferation. 5azadC treatment decreased proliferation and adipocyte differentiation in all conditions evaluated, resulting in the downregulation of PPARG and FABP4 and the upregulation of GATA2. The response to treatment was stronger in ADSCs than in BM-MSCs, suggesting that epigenetic memories may differ between cells of different origins. As epigenetic signatures affect differentiation, it should be possible to direct the use of MSCs in cell therapies to improve process efficiency by considering the various sources available.

Treatment with 1,25(OH)2D3induced HDAC2 expression and reduced NF-κB p65 expression in a rat model of OVA-induced asthma

Recent evidence indicates that a deficiency of 1,25-dihydroxyvitamin D3 (1,25[OH]2D3) may influence asthma pathogenesis; however, its roles in regulating specific molecular transcription mechanisms remain unclear. We aimed to investigate the effect of 1,25(OH)2D3 on the expression and enzyme activity of histone deacetylase 2 (HDAC2) and its synergistic effects with dexamethasone (Dx) in the inhibition of inflammatory cytokine secretion in a rat asthma model. Healthy Wistar rats were randomly divided into 6 groups: control, asthma, 1,25(OH)2D3 pretreatment, 1,25(OH)2D3 treatment, Dx treatment, and Dx and 1,25(OH)2D3 treatment. Pulmonary inflammation was induced by ovalbumin (OVA) sensitization and challenge (OVA/OVA). Inflammatory cells and cytokines in the bronchoalveolar lavage (BAL) fluid and histological changes in lung tissue were examined. Nuclear factor kappa B (NF-κB) p65 and HDAC2 expression levels were assessed with Western blot analyses and quantitative reverse-transcriptase polymerase chain reaction (qRT-PCR). Enzyme activity measurements and immunohistochemical detection of HDAC2 were also performed. Our data demonstrated that 1,25(OH)2D3 reduced the airway inflammatory response and the level of inflammatory cytokines in BAL. Although NF-κB p65 expression was attenuated in the pretreatment and treatment groups, the expression and enzyme activity of HDAC2 were increased. In addition, 1,25(OH)2D3 and Dx had synergistic effects on the suppression of total cell infusion, cytokine release, and NF-κB p65 expression, and they also increased HDAC2 expression and activity in OVA/OVA rats. Collectively, our results indicated that 1,25(OH)2D3might be useful as a novel HDAC2 activator in the treatment of asthma.

Filopodia and stromal extracellular matrix as regulators of cancer cell invasion and growth

Bidirectional exchange of information between the cancer cells and their environment is essential for cancer to evolve. Cancer cells lose the ability to regulate their growth, gain the ability to detach from neighboring cells and finally some of the cells disseminate from the primary tumor and invade to the adjacent tissue. During cancer progression, cells acquire features that promote cancer motility and proliferation one of them being increased filopodia number. Filopodia are dynamic actin-rich structures extending from the leading edge of migrating cells and the main function of these structures is to serve as environmental sensors. It is nowadays widely appreciated, that not only the cancer cells, but also the surrounding of the tumor – the tumor microenvironment- contribute to cancer cell dissemination and tumor growth. Activated stromal fibroblasts, also known as cancer-associated fibroblasts (CAFs) actively participate on tumor progression. CAFs are the most abundant cell type surrounding the cancer cells and they are the main cell type producing the extracellular matrix (ECM) within tumor stroma. CAFs secrete growth factors to promote tumor growth, direct cancer cell invasion as well as modify the stromal ECM architecture. The aim of this thesis was to investigate the function of filopodia, particularly the role of filopodia-inducing protein Myosin-X (Myo10), in breast cancer cell invasion and metastasis. We found that Myo10 is an important regulator of basal type breast cancer spreading downstream of mutant p53. In addition, I investigated the role of CAFs and their secreted matrix on tumor growth. According to the results, CAF-derived matrix has altered organization and stiffness which induces the carcinoma cell proliferation via epigenetic mechanisms. I identified histone demethylase enzyme JMJD1a to be regulated by the stiffness and to participate in stiffness induced growth control.

Enantiodivergent chemoenzymatic synthesis of codeine

The present thesis describes our latest results in the chemistry of morphine alkaloids. An enantiodivergent synthesis of codeine utilizing a cis-cyclohexadiene diol derived from microbial whole cell oxidation of ~-bromoethylbenzene,as starting material is discussed. The total synthesis of (+)-codeine in 14 steps featuring a Mitsunobu inversion and two intramolecular Heck cyclizations is presented. Investigation of a regioselective nucleophilic opening of a homochiral vinyl oxirane, which led to a total synthesis of the natural isomer of codeine, is detailed. Furthermore, described herein are novel methodologies designed for the transformation of naturally occurring opiates into medicinally relevant derivatives. Two studies on the conversion of thebaine into the commercially available analgesic hydrocodone, two novel ·transition metal catalyzed N-demethylation procedures for opioids, and the development of a catalytic protocol for N-demethylation and Nacylation of morphine and tropane alkaloids are presented. In addition, reactions of a menthol-based version of the Burgess reagent with epoxides are discussed. The synthetic utility of this novel chiral derivative of the Burgess reagent was demonstrated by an enantiodivergent formal total synthesis of balanol. ii

Fungal biotransformation of morphine alkaloids

The purpose of the study was to determine the ability of certain fungi to biotransform morphine alkaloids into medicinally relevant intermediates. Fungal strains screened for their ability to affect biotransformation of morphine alkaloids include Cunninghamella echinulata, Helicostylum pirijorme, Pycnoporus sanguinea, Pycnoporus cinnabarina, Curvularia lunata and Sporotrichum sulfurescens. The research demonstrated that Cunninghamella echinulata N-demethylated thebaine, hydrocodone, codeine, oripavine and oxycodone into corresponding nor-compounds in varying yields. The study further focused on the characterization of the enzyme responsible for the biotransformation of thebaine into northebaine by Cunninghamella echinulata. The study clearly showed that incubation of the fungal culture with thebaine over a period of 48 hours was required to activate the biotransformation process. The biotransformation studies with [14C] labeled thebaine showed that Ndemethylation by Cunningham ella echinulata does not involve O-demethylation followed by methyl group transfer as suggested in previous studies.

Interactions protéiques et relation dynamique entre phosphorylation / sumoylation / ubiquitination des protéines TIF1α, β et PML: détection in vivo par BRET

Trois protéines de la famille TRIM (Motif TRIpartite), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) et PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), font l’objet de cette étude. TIF1α est connu comme un coactivateur des récepteurs nucléaires et TIF1β comme le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc dont le prototype étudié ici est ZNF74. PML possède divers rôles dont le plus caractérisé est celui d’être l’organisateur principal et essentiel des PML-NBs (PML-Nuclear Bodies), des macrostructures nucléaires très dynamiques regroupant et coordonnant plus de 40 protéines. Il est à noter que la fonction de TIF1α, β et PML est régulée par une modification post-traductionnelle, la sumoylation, qui implique le couplage covalent de la petite protéine SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) à des lysines de ces trois protéines cibles. Cette thèse propose de développer des méthodes utilisant le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) afin de détecter dans des cellules vivantes et en temps réel des interactions non-covalentes de protéines nucléaires mais aussi leur couplage covalent à SUMO. En effet, le BRET n’a jamais été exploré jusqu’alors pour étudier les interactions non-covalentes et covalentes de protéines nucléaires. L’étude de l’interaction de protéines transcriptionnellement actives est parfois difficile par des méthodes classiques du fait de leur grande propension à agréger (famille TRIM) ou de leur association à la matrice nucléaire (ZNF74). L’homo et l’hétérodimérisation de TIF1α, β ainsi que leur interaction avec ZNF74 sont ici testées sur des protéines entières dans des cellules vivantes de mammifères répondant aux résultats conflictuels de la littérature et démontrant que le BRET peut être avantageusement utilisé comme alternative aux essais plus classiques basés sur la transcription. Du fait de l’hétérodimérisation confirmée de TIF1α et β, le premier article présenté ouvre la possibilité d’une relation étroite entre les récepteurs nucléaires et les protéines KRAB- multidoigt de zinc. Des études précédentes ont démontré que la sumoylation de PML est impliquée dans sa dégradation induite par l’As2O3 et dépendante de RNF4, une E3 ubiquitine ligase ayant pour substrat des chaînes de SUMO (polySUMO). Dans le second article, grâce au développement d’une nouvelle application du BRET pour la détection d’interactions covalentes et non-covalentes avec SUMO (BRETSUMO), nous établissons un nouveau lien entre la sumoylation de PML et sa dégradation. Nous confirmons que le recrutement de RNF4 dépend de SUMO mais démontrons également l’implication du SBD (Sumo Binding Domain) de PML dans sa dégradation induite par l’As2O3 et/ou RNF4. De plus, nous démontrons que des sérines, au sein du SBD de PML, qui sont connues comme des cibles de phosphorylation par la voie de la kinase CK2, régulent les interactions non-covalentes de ce SBD mettant en évidence, pour la première fois, que les interactions avec un SBD peuvent dépendre d’un évènement de phosphorylation (“SBD phospho-switch”). Nos résultats nous amènent à proposer l’hypothèse que le recrutement de PML sumoylé au niveau des PML-NBs via son SBD, favorise le recrutement d’une autre activité E3 ubiquitine ligase, outre celle de RNF4, PML étant lui-même un potentiel candidat. Ceci suggère l’existence d’une nouvelle relation dynamique entre phosphorylation, sumoylation et ubiquitination de PML. Finalement, il est suggéré que PML est dégradé par deux voies différentes dépendantes de l’ubiquitine et du protéasome; la voie de CK2 et la voie de RNF4. Enfin une étude sur la sumoylation de TIF1β est également présentée en annexe. Cette étude caractérise les 6 lysines cibles de SUMO sur TIF1β et démontre que la sumoylation est nécessaire à l’activité répressive de TIF1β mais n’est pas impliquée dans son homodimérisation ou son interaction avec la boîte KRAB. La sumoylation est cependant nécessaire au recrutement d’histones déacétylases, dépendante de son homodimérisation et de l’intégrité du domaine PHD. Alors que l’on ne connaît pas de régulateur physiologique de la sumoylation outre les enzymes directement impliquées dans la machinerie de sumoylation, nous mettons en évidence que la sumoylation de TIF1β est positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB et suggérons que ces facteurs transcriptionnels recrutent TIF1β à l’ADN au niveau de promoteur et augmentent son activité répressive en favorisant sa sumoylation.

Rôle du dimère Gbetagamma dans l’organisation des systèmes de signalisation cellulaire

Selon le modèle classique, le signal reçu par les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) se propage suite à des interactions transitoires et aléatoires entre les RCPGs, les protéines G et leurs effecteurs. Par les techniques de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), de complémentation bimoléculaire de protéines fluorescentes (BiFC) et de co-immunoprécipitation, nous avons observé que les récepteurs, les protéines G et les effecteurs forment un complexe stable, avant et après l’activation des récepteurs. L’interaction entre l’effecteur Kir3 et le dimère Gbetagamma se produit initialement au réticulum endoplasmique et est sensible à un agoniste liposoluble des récepteurs beta2-adrénergiques. Bien que peu de spécificité pour les nombreux isoformes des sous-unités Gbetagamma ait été observée pour l’activation du canal Kir3, les interactions précoces au RE sont plus sensibles aux différentes combinaisons de Gbetagamma présentes. En plus de son rôle dans la régulation des effecteurs, le dimère Gbetagamma peut interagir avec de nombreuses protéines possédant des localisations cellulaires autres que la membrane plasmique. Nous avons identifié une nouvelle classe de protéines interagissant avec la sous-unité Gbeta, autant en système de surexpression que dans des extraits de cerveaux de rats, soit les protéines FosB et cFos, qui forment le complexe de transcription AP-1, suite à leur dimérisation avec les protéines de la famille des Jun. La coexpression du dimère Gbetagamma réduit l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1 induit par le phorbol 12-,myristate 13-acetate (PMA), sans toutefois interférer avec la formation du complexe Fos/Jun ou son interaction avec l’ADN. Toutefois, le dimère Gbetagamma colocalise au noyau avec le complexe AP-1 et recrute les protéines histones déacétylases (HDAC) afin d’inhiber l’activité transcriptionnelle du complexe AP-1.

The euchromatic and heterochromatic landscapes are shaped by antagonizing effects of transcription on H2A.Z deposition

A role for variant histone H2A.Z in gene expression is now well established but little is known about the mechanisms by which it operates. Using a combination of ChIP-chip, knockdown and expression profiling experiments, we show that upon gene induction, human H2A.Z associates with gene promoters and helps in recruiting the transcriptional machinery. Surprisingly, we also found that H2A.Z is randomly incorporated in the genome at low levels and that active transcription antagonizes this incorporation in transcribed regions. After cessation of transcription, random H2A.Z quickly reappears on genes, demonstrating that this incorporation utilizes an active mechanism. Within facultative heterochromatin, we observe a hyper accumulation of the variant histone, which might be due to the lack of transcription in these regions. These results show how chromatin structure and transcription can antagonize each other, therefore shaping chromatin and controlling gene expression.

Mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de l’acide polysialique (PSA) dans le néocortex visuel des souris durant la maturation des synapses GABAergiques

Le fonctionnement du cortex cérébral nécessite l’action coordonnée de deux des sous-types majeurs de neurones, soient les neurones à projections glutamatergiques et les interneurones GABAergiques. Les interneurones GABAergiques ne constituent que 20 à 30% des cellules corticales par rapport au grand nombre de neurones glutamatergiques. Leur rôle est toutefois prépondérant puisqu’ils modulent fortement la dynamique et la plasticité des réseaux néocorticaux. Il n’est donc pas surprenant que les altérations de développement des circuits GABAergiques soient associées à plusieurs maladies du cerveau, incluant l’épilepsie, le syndrome de Rett et la schizophrénie. La compréhension des mécanismes moléculaires régissant le développement des circuits GABAergiques est une étape essentielle menant vers une meilleure compréhension de la façon dont les anormalités se produisent. Conséquemment, nous nous intéressons au rôle de l’acide polysialique (PSA) dans le développement des synapses GABAergiques. PSA est un homopolymère de chaînons polysialylés en α-2,8, et est exclusivement lié à la molécule d’adhésion aux cellules neuronales (NCAM) dans les cerveaux de mammifères. PSA est impliqué dans plusieurs processus développementaux, y compris la formation et la plasticité des synapses glutamatergiques, mais son rôle dans les réseaux GABAergiques reste à préciser. Les données générées dans le laboratoire du Dr. Di Cristo démontrent que PSA est fortement exprimé post- natalement dans le néocortex des rongeurs, que son abondance diminue au cours du développement, et, faits importants, que son expression dépend de l’activité visuelle i et est inversement corrélée à la maturation des synapses GABAergiques. La présente propose de caractériser les mécanismes moléculaires régulant l’expression de PSA dans le néocortex visuel de la souris. Les enzymes polysialyltransférases ST8SiaII (STX) et ST8SiaIV (PST) sont responsables de la formation de la chaîne de PSA sur NCAM. En contrôlant ainsi la quantité de PSA sur NCAM, ils influenceraient le développement des synapses GABAergiques. Mon projet consiste à déterminer comment l’expression des polysialyltransférases est régulée dans le néocortex visuel des souris durant la période post-natale; ces données sont à la fois inconnues, et cruciales. Nous utilisons un système de cultures organotypiques dont la maturation des synapses GABAergiques est comparable au modèle in vivo. L’analyse de l’expression génique par qPCR a démontré que l’expression des polysialyltransférases diminue au cours du développement; une baisse majeure corrélant avec l’ouverture des yeux chez la souris. Nous avons de plus illustré pour la première fois que l’expression de STX, et non celle de PST, est activité-dépendante, et que ce processus requiert l’activation du récepteur NMDA, une augmentation du niveau de calcium intracellulaire et la protéine kinase C (PKC). Ces données démontrent que STX est l’enzyme régulant préférentiellement le niveau de PSA sur NCAM au cours de la période post-natale dans le cortex visuel des souris. Des données préliminaires d’un second volet de notre investigation suggèrent que l’acétylation des histones et la méthylation de l’ADN pourraient également contribuer à la régulation de la transcription de cette enzyme durant le développement. Plus d’investigations seront toutefois nécessaires afin de confirmer cette hypothèse. En somme, la connaissance des mécanismes par lesquels l’expression des ii polysialyltransférases est modulée est essentielle à la compréhension du processus de maturation des synapses GABAergiques. Ceci permettrait de moduler pharmacologiquement l’expression de ces enzymes; la sur-expression de STX et/ou PST pourrait produire une plus grande quantité de PSA, déstabiliser les synapses GABAergiques, et conséquemment, ré-induire la plasticité cérébrale.

Mass spectrometry as a tool to dissect the role of chromatin assembly factors in regulating nucleosome assembly

L'assemblage des nucléosomes est étroitement couplée à la synthèse des histones ainsi qu’à la réplication et la réparation de l’ADN durant la phase S. Ce processus implique un mécanisme de contrôle qui contribue soigneusement et de manière régulée à l’assemblage de l’ADN en chromatine. L'assemblage des nucléosomes durant la synthèse de l’ADN est crucial et contribue ainsi au maintien de la stabilité génomique. Cette thèse décrit la caractérisation par spectrométrie de masse(SM) des protéines jouant un rôle critique dans l’assemblage et le maintien de la structure chromatinienne. Plus précisément, la phosphorylation de deux facteurs d’assemblage des nucléosome, le facteur CAF-1, une chaperone d’histone qui participe à l'assemblage de la chromatine spécifiquement couplée à la réplication de l'ADN, ainsi que le complexe protéique Hir, jouant de plus un rôle important dans la régulation transcriptionelle des gènes d’histones lors de la progression normale du cycle cellulaire et en réponse aux dommages de l'ADN, a été examiné. La caractérisation des sites de phosphorylation par SM nécéssite la séparation des protéines par éléctrophorèse suivi d’une coloration a l’argent. Dans le chapitre 2, nous demontrons que la coloration à l’argent induit un artéfact de sulfatation. Plus précisément, cet artéfact est causé par un réactif spécifiquement utilisé lors de la coloration. La sulfatation présente de fortes similitudes avec la phosphorylation. Ainsi, l’incrément de masse observé sur les peptides sulfatés et phosphorylés (+80 Da) nécéssite des instruments offrant une haute résolution et haute précision de masse pour différencier ces deux modifications. Dans les chapitres 3 et 4, nous avons d’abord démontré par SM que Cac1, la plus grande sous-unité du facteur CAF-1, est cible de plusieurs sites de phosphorylation. Fait intéréssant, certains de ces sites contiennent des séquences consensus pour les kinases Cdc7-Dbf4 et CDKs. Ainsi, ces résultats fournissent les premières évidences que CAF-1 est potentiellement régulé par ces deux kinases in vivo. La fonction de tous les sites de phosphorylation identifiés a ensuite été évaluée. Nous avons démontré que la phosphorylation de la Ser-503, un site consensus de la DDK, est essentielle à la répréssion transcriptionelle des gènes au niveau des télomères. Cependant, cette phosphorylation ne semble pas être nécéssaire pour d’autres fonctions connues de CAF-1, indiquant que le blocage de la phsophorylation de Cac1 Ser-503 affecte spécifiquement la fonction de CAF-1 aux structures hétérochromatiques des télomères. Ensuite, nous avons identifiés une intéraction physique entre CAF-1 et Cdc7-Dbf4. Des études in vitro ont également demontré que cette kinase phosphoryle spécifiquement Cac1 Ser-503, suggérant un rôle potential pour la kinase Cdc7-Dbf4 dans l’assemblage et la stabilité de la structure hétérochromatique aux télomères. Finalement, les analyses par SM nous ont également permi de montrer que la sous-unité Hpc2 du complexe Hir est phosphorylée sur plusieurs sites consensus des CDKs et de Cdc7-Dbf4. De plus, la quantification par SM d’un site spécifique de phosphorylation de Hpc2, la Ser-330, s’est révélée être fortement induite suite à l’activation du point de contrôle de réplication (le “checkpoint”) suite au dommage a l’ADN. Nous montrons que la Ser-330 de Hpc2 est phopshorylée par les kinases de point de contrôle de manière Mec1/Tel1- et Rad53-dépendante. Nos données préliminaires suggèrent ainsi que la capacité du complex Hir de réguler la répréssion transcriptionelle des gènes d'histones lors de la progression du cycle cellulaire normal et en réponse au dommage de l'ADN est médiée par la phosphorylation de Hpc2 par ces deux kinases. Enfin, ces deux études mettent en évidence l'importance de la spectrométrie de masse dans la caractérisation des sites de phosphorylation des protéines, nous permettant ainsi de comprendre plus précisement les mécanismes de régulation de l'assemblage de la chromatine et de la synthèse des histones.

Identification de facteurs nucléaires modifiant l'activité des cellules souches hématopoïétiques

Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) sont rares, mais indispensables pour soutenir la production des cellules matures du sang, un tissu en constant renouvellement. Deux caractéristiques principales les définissent; la propriété d’auto-renouvellement (AR), ou la capacité de préserver leur identité cellulaire suivant une division, et la multipotence, ce potentiel de différentiation leur permettant de générer toutes les lignée hématopoïétiques. De par leurs attributs, les CSH sont utilisée en thérapie cellulaire dans le domaine de la transplantation. Une organisation tissulaire hiérarchique est aussi préservée dans la leucémie, ou cancer du sang, une masse tumorale hétérogène devant être maintenue par une fraction de cellules au potentiel prolifératif illimité, les cellules souches leucémiques (CSL). Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à explorer les bases moléculaires de l’AR, encore mal définies. Certains membres de la famille des facteurs de transcription à homéodomaine HOX sont impliqués dans la régulation de l’hématopoïèse normale, et leur dérégulation peut contribuer à la transformation leucémique. En particulier, la surexpression du gène Hoxb4 dans les CSH influence leur destin cellulaire, favorisant des divisions d’auto-renouvellement et leur expansion en culture et in vivo. En général, les CSH s’épuisent rapidement lorsque maintenue hors de leur niche ex vivo. Différents facteurs interagissent avec les HOX et modulent leur liaison à l’ADN, dont la famille des protéines TALE (Three Amino acid Loop Extension), comme MEIS1 et PBX1. En utilisant une stratégie de surexpression combinée de Hoxb4 et d’un anti-sens de Pbx1 dans les CSH, générant ainsi des cellules Hoxb4hiPbx1lo, il est possible de majorer encore d’avantage leur potentiel d’AR et leur expansion in vitro. Les CSH Hoxb4hiPbx1lo demeurent fonctionnellement intactes malgré une modulation extrême de leur destin cellulaire en culture. Les niveaux d’expressions de facteurs nucléaires, seules ou en combinaison, peuvent donc s’avérer des déterminants majeurs du destin des CSH. Afin d’identifier d’autres facteurs nucléaires potentiellement impliqués dans le processus d’AR des CSH, une stratégie permettant d’évaluer simultanément plusieurs gènes candidats a été élaborée. Les progrès réalisés en termes de purification des CSH et de leur culture en micro-puits ont facilité la mise au point d’un crible en RNAi (interférence de l’ARN), mesurant l’impact fonctionnel d’une diminution des niveaux de transcrits d’un gène cible sur l’activité des CSH. Les candidats sélectionnés pour cette étude font partie du grand groupe des modificateurs de la chromatine, plus précisément la famille des histones déméthylases (HDM) contenant un domaine catalytique Jumonji. Ce choix repose sur la fonction régulatrice de plusieurs membres de complexes méthyl-transférases sur l’AR des CSH, dont l’histone méthyl-transférases MLL (Mixed Lineage Leukemia). Cette stratégie a aussi été utilisée dans le laboratoire pour étudier le rôle de facteurs d’asymétrie sur le destin des CSH, en collaboration. Ces études ont permis d’identifier à la fois des régulateurs positifs et négatifs de l’activité des CSH. Entre autre, une diminution de l’expression du gène codant pour JARID1B, une HDM de la lysine 4 de l’histone H3 (H3K4), augmente l’activité des CSH et s’accompagne d’une activation des gènes Hox. En conclusion, divers déterminants nucléaires, dont les facteurs de transcription et les modificateurs de la chromatine peuvent influencer le destin des CSH. Les mécanismes sous-jacents et l’identification d’autres modulateurs de l’AR demeurent des voies à explorer, pouvant contribuer éventuellement aux stratégies d’expansion des CSH ex vivo, et l’identification de cibles thérapeutiques contre les CSL. Mots-clés : cellules souches hématopoïétiques, Hoxb4, Pbx1, auto-renouvellement, histone déméthylases, RNAi